黃大為,萬 梁,吳德志,吳斌興,趙 鑫

(1.國(guó)家混凝土機(jī)械工程技術(shù)研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410205; 2.中聯(lián)重科股份有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410205)

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混凝土泵車主動(dòng)防傾翻控制技術(shù)

黃大為,萬 梁,吳德志,吳斌興,趙 鑫

(1.國(guó)家混凝土機(jī)械工程技術(shù)研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410205; 2.中聯(lián)重科股份有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410205)

基于混凝土泵車工作原理與負(fù)載特性,建立了整機(jī)力學(xué)模型.通過理論分析,得到了泵車的傾翻條件與安全工作區(qū)域,并設(shè)計(jì)了安全系數(shù)計(jì)算模型.通過支腿壓力、開度等實(shí)時(shí)反饋信息,基于安全系數(shù)計(jì)算模型,搭建了泵車主動(dòng)分級(jí)防傾翻控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)任意工況下泵車作業(yè)的穩(wěn)定性判斷,并根據(jù)安全系數(shù)大小對(duì)泵車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)分級(jí)控制,有效防止泵車傾翻.樣機(jī)驗(yàn)證結(jié)果表明:主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)掌控泵車的安全狀態(tài),在不同的安全等級(jí)下準(zhǔn)確地對(duì)臂架等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)干預(yù),確保施工安全.

混凝土泵車; 防傾翻; 主動(dòng)控制; 安全系數(shù)

混凝土泵車是一種用于輸送和澆筑混凝土的移動(dòng)式工程機(jī)械,它可以將混凝土沿著輸送管道連續(xù)泵送到施工現(xiàn)場(chǎng),逐漸成為了工程施工中的關(guān)鍵設(shè)備[1].近年來隨著泵車噸位的提高,傾翻力矩越來越大,汽車底盤本身的重量不足以平衡其傾翻力矩,故須對(duì)泵車工作時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),以防止傾翻.通常為獲得較好的穩(wěn)定性,泵車工作時(shí)的支腿要求完全展開.但由于施工場(chǎng)地的限制導(dǎo)致支腿跨距不能達(dá)到要求,或者機(jī)手操作失誤,都可能引起整車的穩(wěn)定性異常而發(fā)生傾翻事故.即使機(jī)手發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象,由于采取措施到設(shè)備響應(yīng)有一定的延時(shí),故還是存在事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn).因此開發(fā)一種控制系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)控整車的穩(wěn)定狀態(tài),并根據(jù)傾翻風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)主動(dòng)干預(yù)執(zhí)行機(jī)構(gòu),從而防止泵車傾翻是十分必要的.它實(shí)時(shí) 跟蹤監(jiān)測(cè)隨車起重機(jī)的穩(wěn)定性,當(dāng)整機(jī)重心超出支承范圍或支腿油缸壓力小于某一最小值時(shí),單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出控制指令使隨車起重機(jī)變幅、回轉(zhuǎn)等動(dòng)作停止,并發(fā)出報(bào)警提示信號(hào),確保整機(jī)的安全,防止發(fā)生傾翻事故[2].本文深入分析了混凝土泵車施工過程的負(fù)載特性,建立了整機(jī)力學(xué)模型,并提出了一種安全系數(shù)模型和分級(jí)控制策略,可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地評(píng)估整機(jī)的安全狀態(tài),預(yù)判危險(xiǎn)的發(fā)生.基于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及時(shí)主動(dòng)地干預(yù)設(shè)備,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)有效地做出防傾翻的響應(yīng)動(dòng)作(如調(diào)整臂架姿態(tài)降低傾翻趨勢(shì)或者緊急停止泵送等),以確保施工安全.

1 混凝土泵車的力學(xué)分析

以混凝土泵車的回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)建坐標(biāo)系,車尾方向?yàn)閤軸正,車左側(cè)為y軸正,如圖1所示.當(dāng)混凝土泵車作業(yè)時(shí),4個(gè)支腿將支承起整個(gè)設(shè)備(包含工作介質(zhì)混凝土)產(chǎn)生的重力.即整機(jī)重力G等于各支腿支撐反力的累加值.

(1)式中:F1,F2,F3,F4為左前、右前、右后、左后4個(gè)支腿的支撐反力.

支撐反力可通過設(shè)置在支腿垂直油缸上壓力傳感器讀數(shù)后換算得到.

如圖1所示,傾翻線為支腿接觸地面的中心連線.對(duì)于右側(cè)、前方傾翻線,存在如下的力矩平衡

(2)

(3)

圖1 力矩平衡示意圖Fig.1 Schematic diagram of moment balance

式中:LG1,LG2為整機(jī)重心到右側(cè)傾翻線、前方傾翻線的距離,邊線確定后即距離確定;LR1,LR2為左前支腿、左后支腿到右側(cè)傾翻線的距離,邊線確定后即距離確定;LF1,LF2為右后支腿、左后支腿到前方傾翻線的距離,邊線確定后即距離確定.

根據(jù)式(2),(3)可以求解LG1以及LG2,由LG1和LG2的值又可唯一確定整機(jī)重心的坐標(biāo)G(xG,yG).

圖2 力臂的幾何求解示意圖Fig.2 Schematic diagram of solution for arm of force 支腿到側(cè)傾翻線的距離(即支腿反力的力臂)可采用如下的方法計(jì)算得到.以求解LR1為例,按照向量積公式

(4)式中:l1、l2為前方傾翻線、右側(cè)傾翻線的向量表示;x1,y1,x2,y2,x3,y3為左前、右前、右后支腿的坐標(biāo)值.同理,可依次計(jì)算出LR2,LF1和LF2的數(shù)值.

在LG1和LG2求解的情況下,通過式(4)可以建立重心坐標(biāo)G(xG,yG)的二元二次方程組,如下所示:

(5)

各支腿的支撐點(diǎn)位置坐標(biāo)可通過支腿上安裝的位移傳感器以及角度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量得到.

2 安全系數(shù)計(jì)算模型

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3-4],定義整車安全系數(shù)S如下:

(6)

受泵送混凝土質(zhì)量的影響,下車重力Gm和臂架重力GB以及臂架重心距離LB都是很難確定的,只有下車重心距離Lm是相對(duì)確定的,因而無法直接準(zhǔn)確地計(jì)算出整車安全系數(shù)S.但是如圖3所示,臂架,下車和整機(jī)之間存在著以下的力矩平衡關(guān)系:

圖3 安全系數(shù)模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of model for safety factor

Gmxm+GBxB=GxG

(7)

式中，xm,xB,xG為下車、臂架、整機(jī)重心的坐標(biāo)值.

將坐標(biāo)值換算成力臂的形式:

(8)

式中:LG為整機(jī)重心到后方傾翻線的距離.

同時(shí),因整機(jī)重力等于臂架重力與下車重力之和:

(9)

將式(9)代入式(8),得到Gm和GB的關(guān)系式,再代入式(6)可以推導(dǎo)得到:

(10)

式中:a,b,s為求解表達(dá)式的絕對(duì)值.

由于在接近傾翻狀態(tài)時(shí),臂架重心距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整車重心距離,因此安全系數(shù)可簡(jiǎn)化為:

(11)

式中:S′為簡(jiǎn)化后的安全系數(shù).

同理,可以計(jì)算出其他3條傾翻線對(duì)應(yīng)的安全系數(shù),取4個(gè)安全系數(shù)中最小者為當(dāng)前的安全系數(shù).

3 主動(dòng)分級(jí)控制系統(tǒng)

混凝土泵車的主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)由傳感器、控制器、比例閥等硬件以及力學(xué)分析模型與安全系數(shù)計(jì)算模型構(gòu)成.具體工作原理如下:通過在支腿上安裝位移傳感器和角度傳感器實(shí)時(shí)得到支腿的伸縮范圍,從而計(jì)算出安全作業(yè)區(qū)域;通過在支腿上安裝力傳感器實(shí)時(shí)得到各個(gè)支腿的受力大小,從而計(jì)算出整車重心坐標(biāo)及安全系數(shù).控制器對(duì)安全系數(shù)與設(shè)定的各級(jí)安全系數(shù)閾值進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)泵車實(shí)時(shí)的安全等級(jí)對(duì)臂架等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)控制,并在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示安全等級(jí)等信息,從而確保泵車始終工作在安全區(qū)域,防止整車的傾翻,保證施工安全.控制策略如圖4所示.其中T1,T2,T3分別為實(shí)時(shí)計(jì)算的安全系數(shù),當(dāng)安全系數(shù)大于T1時(shí),不對(duì)臂架等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)干預(yù);當(dāng)安全系數(shù)小于T1、大于T2時(shí),控制系統(tǒng)發(fā)出臂架慢檔限制指令,即臂架在慢檔對(duì)應(yīng)的速度限制下運(yùn)行,可能低于操作機(jī)手通過操作手柄發(fā)出的速度要求;當(dāng)安全系數(shù)小于T2、大于T3時(shí),臂架進(jìn)行限速運(yùn)動(dòng)的同時(shí),限制泵送速度;當(dāng)安全系數(shù)小于T3時(shí),泵車接近臨界傾翻狀態(tài),限制臂架與泵送動(dòng)作,臂架只能按照顯示屏所提示的運(yùn)動(dòng)方向動(dòng)作.

圖4 主動(dòng)分級(jí)控制策略示意圖Fig.4 Schematic diagram of active hierarchical control strategy

4 試驗(yàn)

為驗(yàn)證混凝土泵車主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)的正確性,以某型號(hào)泵車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.如圖5所示,驗(yàn)證不同工況下主動(dòng)防傾翻系統(tǒng)的運(yùn)行情況.

工況1:將支腿全部展開,開度為100%,即全支撐工況.臂架完全展開,從0°順時(shí)針回轉(zhuǎn)到100°,整車重心軌跡及傾翻安全系數(shù)變化曲線如圖6所示.從圖6可以看出,全支撐工況下,重心坐標(biāo)在全區(qū)域內(nèi),安全系數(shù)在1.23～2.15之間變化,臂架的運(yùn)動(dòng)沒有導(dǎo)致混凝土泵車發(fā)生傾翻狀態(tài).

工況2:將左側(cè)支腿開度設(shè)置為60%,右側(cè)支腿仍然為100%,即非全支撐工況.臂架完全展開,從0°順時(shí)針回轉(zhuǎn),直到臂架達(dá)到傾翻狀態(tài),整車重心軌跡及傾翻安全系數(shù)變化曲線如圖7所示.從圖7可以看出,非全支撐工況下,隨著臂架的運(yùn)動(dòng),重心坐標(biāo)逐漸由安全區(qū)域向傾翻邊界移動(dòng),安全系數(shù)逐漸減小到1.08,臂架的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致混凝土泵車由安全狀態(tài)達(dá)到傾翻狀態(tài),驗(yàn)證了整車重心與安全系數(shù)計(jì)算模型的正確性.

圖5 防傾翻試驗(yàn)Fig.5 Anti-rollover test

圖6 全支撐工況Fig.6 Full support condition

圖7 非全支撐工況Fig.7 Non full support condition

混凝土泵車由安全狀態(tài)逐漸變化為傾翻狀態(tài)時(shí),主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)將根據(jù)安全系數(shù)的大小輸出臂架等執(zhí)行機(jī)構(gòu)限制運(yùn)動(dòng)的控制指令,避免泵車發(fā)生傾翻現(xiàn)象,并通過顯示屏提醒操作人員,只有使整車重心遠(yuǎn)離傾翻風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的操作才能有效執(zhí)行.

由圖8可以看出,隨著臂架運(yùn)動(dòng),控制系統(tǒng)輸出臂架的控制指令,整個(gè)過程為:臂架正常速度運(yùn)行—臂架進(jìn)行慢檔模式運(yùn)行—臂架進(jìn)行鎖臂模式運(yùn)行.當(dāng)臂架進(jìn)入鎖臂鎖泵送模式下(即臨界傾翻狀態(tài)),只有逆向回轉(zhuǎn)或舉升第一節(jié)臂架的動(dòng)作才能正常操作,確保整車重心遠(yuǎn)離傾翻危險(xiǎn)區(qū)域.

(1) 圖8a中,臂架回轉(zhuǎn)過程中,同樣控制量下,根據(jù)角度斜率變化可知,開始階段臂架勻速轉(zhuǎn)動(dòng),到達(dá)慢檔區(qū)域時(shí),臂架運(yùn)動(dòng)速度降低,直到鎖臂狀態(tài)時(shí),臂架停止運(yùn)動(dòng),回轉(zhuǎn)角度不變;

(2) 圖8b中,整車順時(shí)針運(yùn)動(dòng),先進(jìn)入慢檔狀態(tài),然后進(jìn)入鎖臂狀態(tài),此時(shí)臂架順時(shí)針回轉(zhuǎn)動(dòng)作鎖定.為了解鎖進(jìn)行逆時(shí)針回轉(zhuǎn)動(dòng)作,逆回轉(zhuǎn)到一定角度解除鎖臂,再逆回轉(zhuǎn)到一定角度解除慢檔動(dòng)作,此時(shí)泵車臂架進(jìn)入正常運(yùn)動(dòng)模式;

(3) 圖8c中,臂架順時(shí)針回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),當(dāng)臂架進(jìn)入鎖臂狀態(tài)時(shí),順時(shí)針回轉(zhuǎn)鎖定,逆時(shí)針回轉(zhuǎn)沒有鎖定,可以進(jìn)行逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)進(jìn)行整車解鎖;

(4) 圖8d中,當(dāng)臂架進(jìn)入鎖臂狀態(tài)時(shí),一臂上的動(dòng)作沒有鎖定,其他動(dòng)作均鎖定;可以通過舉升第一節(jié)臂來進(jìn)行整車解鎖.

通過某型號(hào)泵車的試驗(yàn)驗(yàn)證可知,混凝土泵車主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確計(jì)算整車重心及安全系數(shù),判斷安全狀態(tài).且接近傾翻狀態(tài)時(shí),能夠有效輸出臂架等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的限制運(yùn)動(dòng)指令,避免泵車出現(xiàn)傾翻現(xiàn)象,并提示操作者采取正確的操作方式,使泵車脫離傾翻危險(xiǎn)區(qū)域,繼續(xù)安全施工.

圖8 主動(dòng)分級(jí)控制示意圖Fig.8 Schematic diagram of active hierarchical control

5 結(jié)論

本文提出了一種混凝土泵車防傾翻控制的方法,基于負(fù)載特性,建立了整機(jī)力學(xué)模型,通過力矩平衡分析,得到了泵車的傾翻條件與安全工作區(qū)域,并設(shè)計(jì)了安全系數(shù)計(jì)算模型.通過支腿壓力、開度等實(shí)時(shí)反饋信號(hào),搭建了泵車主動(dòng)分級(jí)防傾翻控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)任意工況下泵車作業(yè)的穩(wěn)定性判斷,并根據(jù)安全系數(shù)大小對(duì)泵車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)分級(jí)控制,有效防止泵車傾翻.采用某型號(hào)泵車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)掌控泵車安全狀態(tài),在不同的安全等級(jí)下準(zhǔn)確地對(duì)臂架等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)干預(yù),確保施工安全.

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Active anti-rollover control technology for concrete pump trucks

HUANG Da-wei,WAN Liang,WU De-zhi,WU Bin-xing,ZHAO Xin

(Chinese National Engineering Research Center of Concrete Machinery, Changsha 410205, China;Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co., Ltd., Changsha 410205, China)

Based on the operational principles and loading properties,a mechanical model is established for concrete pump trucks.Through theoretical analysis,the rollover conditions and safe working areas,along with safety factor calculation model,are obtained.Owing that the active rated anti-rollover control system is established via the feedback information of pressures and opening of outriggers,this system can estimate the truck stability under random conditions. By actively controlling the actuator on different hierarchies,the rollover can be effectively prevented using safety factors. Therefore,it is indicated from experimental results that the turnover can be actively and accurately prevented upon such actuators as booms in a real-time manner under different safety ratings.

concrete pump truck; anti-rollover; active control; safety factor

黃大為(1980-)，男，工程師. E-mail:david0706@163.com

TB 53

A

1672-5581(2016)04-0352-06